基于TMS320C54X的RS+变织+卷积的级联纠错码

摘要：纠错编码被广泛应用在各种数字通讯、数字广播和数据存储系统中。随着单片机、DSP和FPGA等器件的发展，越来越容易在各种通用硬件平台上实现纠错编码。本文基于TI的54系列DSP，实现由常用RS码、卷积编码、Viterbi解码、交织技术构成的级联码，并提供编码原理和实现方案。

    关键词：RS码 Viterbi解码 级联纠错码

随着越来越多的系统采用数字技术来实现，纠错编码技术也得到了越来越广泛的应用。如GSM标准中，对语音的信道编码采用卷积纠错、分组码检错。美国的蜂窝数字分组数据系统（CDPD）中采用了m=6的（63，47）RS(Reed Solomon)码。CDMA标准中，主要包括卷积编码（Turbo码等）、交织编码、帧循环校验等。DVD采用RS纠错编码。近些年来，随着软件无线电技术的发展，纠错编码一般都在通用的硬件平台上实现，这样有利于保证灵活性和通用性。通常采用基于FPGA的VHDL编码硬件实现，或者在DSP、单片机上用C和汇编编程软件实现。本文基于TMS320C54X的DSP，实现一种RS+交织+卷积的级联纠错码。
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1 级联纠错编码原理

纠错编码技术是通过引入可控制的冗余来提高系统的可靠性。它的理论基石是1948年Shannon在《通信的数字理论》中提出的著名的有扰信道编码定理。纠错码按照不同的分类标准，有着不同的分类。我们常用的是按照对信息元处理的不同方法来分类的，分为分组码和卷积码。分组码是把信源输出的信息序列，以k个码元划分为一段，通过编码器把这段的k个信息元，按一定规则产生r个校验（监督）元，输出长为n=k+r的一个码组。比较常用的有BCH码、RS码、Hamming码等。卷积码是把输出信源输出的信息序列，以k0个（k0通常小于k）码元分为段，通过编码器输出长为n0(≥通常小于k)码元分为一段，通过编码器输出长为n0(≥通常小于k)码元分为一段，通过编码器输出为n0(≥k0)的一的码以。但是该码段的n0-k0个校验元不仅与本组的信息有关，而且也与其前m段信息元有关，称m为编码存储。因此卷积码用（n0，k0,k）表示。

由信道编码理论可知，随着码长n的增加，解码错误概率以指数方式趋近于零。因此，为提高纠错码的有效性，就必须使用长码。但码长增加，码率会相应下降，解码设备的复杂性与计算量也相应增加，级联码有针对性的解决这了一矛盾。它将编码过程分为前后串行的几级完成，可以满足信道纠错对编码长度的要求，得到与长码相同的纠错能力和高编码增益；而且增加的编/解码复杂度不是很大。其原理示意框图如图1所示。

级联码有内码和外码两级，内码是GF（2）上的一个[n,k]码，外码是GF（2k）上的[N,K]寿终正寝，编码规则如下。

①先将k×k个二进制信息元划分成K段，每段有k个信息元。

②每段的k个信息元可看成是GF（2k）上的一个符号。将K个符号按外码的编码规则编成一个外码，码长为N，有K个信息符号，N-K个校验符号，最小码距为do，码率Ro=K/N。

③外码的每一个符号，看成是k个二进制码元的码组，输入内码编码器，得到一个内存，码长n，有n-k个校验元，最小码距为di，码率Ri=k/n，由此得到N个[n,k]内码的码字序徇。两级编码总共得到N×n个二进制码元，K×k个信息元，组成[K×n，K×k，do×di]级联码的码。

我们选用的外码为RS（31，15）码，生成多项式为G（X）=1+x2+x3，内码用卷积码（2，1，7），其生成多项式G0=171，G1=131（都是八进制）。RS码是GF（q）(q!=2)上，码长N=q-1的本原BCH码，具有很强的纠错能力，其最大可能的最小距离是校验元的个数加1，因而RS码是一种极大最小距离可分码（MDS），是一种最佳的线性循环码。本例中使用的RS（31，15）码的汉明距为17，可以纠8个错误。交织技术是抗突发干扰的重要手段，它是采用一个交织矩阵，存储方向与发送时的方向不一样，从而将突发错误离散化，提高抗突发干扰的能力。本方案中RS编码按行存储，发送时按列，并且对每列都进行卷积编码，可以抵抗8×列长的突发干扰。卷积编码Viterbi软判决解码，可以充分的利用各个码组之间的相关性，提高很高的编码增益。各个组成码和级联后的纠错性能仿真图如图2所示。

2 级联码的DSP编程实现

由于RS码和卷积码的Viterbi解码运算量都很大，所以需要大量的存储空间。本方案中实现在100kbps的信道上，RS码的解码运算量为8MIPS，Viterbi解码需要14MIPS。整个编解码程序需要24MIPS，因而选用在TMS320C54X芯片上实现。使用TI公司推出有XXA进行编程开发，考虑到编程的可移植性、可读性和效率，采用C语言与DSP汇编语言混合编程实现。Viterbi解码的算法由于程序运算量很大，采用DSP汇编语言来实现，蓁部分结构如图3所示。下面我们分别对整个系统中的关键部分RS码迭代解码和卷积码Viterbi解码中的编程进行阐述。

2.1 RS码迭代解码的实现

RS解码分频域解码和时域解码，比较常用的解码方法是时域的迭代解码。解码的主要步骤如下：①由接收码字r(x)求出部分伴随式Si的值，若Si全为0，则输出接收码字r(x)；②由伴随式Si求出σi(i=1,2,…K)，确定差错多项式σ（x）；③通过搜索法得到σ（x）的根，进一步确定差错位置βi；

④由部分伴随式Si及其差

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